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基于虛擬現實(shí)技術(shù)的船舶輔鍋爐控制系統研究
論文關(guān)鍵詞：船舶輔鍋爐 虛擬現實(shí) 控制
論文摘要：結合實(shí)船燃油輔鍋爐的實(shí)際情況和具體操作要求，通過(guò)建立維模型、人機交互、Web 3D網(wǎng)頁(yè)瀏覽技術(shù)等米構建船舶輔鍋爐虛擬操控系統，達到以虛擬操作代替實(shí)際操作，節省開(kāi)支、實(shí)現遠程培訓、以及人機交互的目的，克服了船舶輔鍋爐控制系統實(shí)際訓練中不可避免的資源消耗、維護費用高等難題。
輔鍋爐是船舶動(dòng)力裝置中的重要組成部分其控制的可靠性和性對保證船舶安全航行有著(zhù)重要的意義。
船舶輔鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復雜的控制對象，其實(shí)際操作必須遵循嚴格的步驟，在和教學(xué)環(huán)節中，實(shí)現每個(gè)人都進(jìn)行實(shí)際操作有難度。因燃油運行且可能出現操作失誤，會(huì )給實(shí)習和教學(xué)帶來(lái)一定的困難和不安全因素。隨著(zhù)虛擬現實(shí)技術(shù)的產(chǎn)生，這些問(wèn)題將逐步得到解決。
1 控制系統的組成
輔鍋爐是船舶上最早實(shí)現自動(dòng)控制的裝置之一，其控制項目包括：水位自動(dòng)控制，燃燒自動(dòng)控制 ，鍋爐點(diǎn)火及燃燒 時(shí)序 自動(dòng)控制和 自動(dòng)安全保護。
1)水位自動(dòng)控制�？刂平o水量的多少，使進(jìn)人鍋爐的給水量大致大于鍋爐的蒸發(fā)量。
在蒸發(fā)量比較小、蒸汽壓力比較低的船舶輔鍋爐中，大部分采用雙水位自動(dòng)控制系統。雙水位控制系統指輔鍋爐的水位可以在一定范圍內波動(dòng)，輔鍋爐水位所允許的變化范圍是 60～120 mm。當水位下降到水位下限時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)給水泵 ，給水泵開(kāi)始向輔鍋爐供水，輔鍋爐水位就會(huì )逐漸升高 ；當給水量達到一定限度，也就是水位上限時(shí)，給水泵自動(dòng)停止工作，不再向輔鍋爐供水。
2)燃燒自動(dòng)控制。被控量是輔鍋爐內的蒸汽壓力，根據汽壓的高低自動(dòng)改變進(jìn)入爐膛的噴油量和送風(fēng)量。
對貨船輔鍋爐，燃燒自動(dòng)控制系統的要求簡(jiǎn)單、可靠，對輔鍋爐運行的經(jīng)濟性要求不是很?chē)栏�，大多數這樣的輔鍋爐采用汽壓的雙位控制，少數采用比例控制，并保證輔鍋爐在不同負荷下，其送風(fēng)量基本適應噴油量的要求。在油船輔鍋爐中，要求汽壓必須穩定，同時(shí)對輔鍋爐的運行經(jīng)濟性要求比較高，這樣輔鍋爐才能在不同的負荷情況下，保證有一個(gè)最佳的風(fēng)油比，所以通常采用比例積分控制或更好的控制算法。
3)點(diǎn)火及燃燒時(shí)序控制。給鍋爐一個(gè)起動(dòng)信號后，按時(shí)序的先后進(jìn)行預掃風(fēng)、預點(diǎn)火、噴油點(diǎn)火，點(diǎn)火成功后對鍋爐進(jìn)行預熱，接著(zhù)轉入正常燃燒的負荷控制階段，同時(shí)對鍋爐進(jìn)行一系列的安全保護。
按下輔鍋爐啟動(dòng)按鈕后，自動(dòng)啟動(dòng)燃油泵和鼓風(fēng)機，關(guān)閉燃油電磁閥使燃油在輔鍋爐外面循環(huán)，此時(shí)風(fēng)門(mén)開(kāi)的最大，以最大風(fēng)量進(jìn)行預掃風(fēng)，防止爐內殘存的油氣在點(diǎn)火中產(chǎn)生冷爆。
預掃風(fēng)的時(shí)間根據輔鍋爐的結構形式不同而異，一般是 20～6O S。達到預掃風(fēng)的時(shí)問(wèn)后自動(dòng)關(guān)小風(fēng)門(mén)，同時(shí)點(diǎn)火電極打出火花進(jìn)行預點(diǎn)火，時(shí)間約為3 S。然后打開(kāi)燃油電磁閥或開(kāi)大回油閥，或讓一個(gè)油頭噴油工作，即以小風(fēng)量和少?lài)娪瓦M(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后，先維持一段 時(shí)間低火燃燒，對輔鍋爐進(jìn)行預熱，再開(kāi)大風(fēng)門(mén)關(guān)小 回油閥或增加一個(gè)油頭向爐膛噴油，使輔鍋爐轉入高火燃燒，即進(jìn)入正常燃燒的負荷控制階段。在預定的時(shí)間內若點(diǎn)火不成功或風(fēng)機失壓、中間熄火等，會(huì )自動(dòng)停爐，待故障排除后按恢復按鈕使時(shí)序控制恢復到起動(dòng)前的狀態(tài)，方能重新起動(dòng)輔鍋爐 。
2 設計的實(shí)現
該系統采用 TCP／IP結構，是一個(gè)開(kāi)放 的模塊化 ，系統 的和三維模型 的實(shí)時(shí)渲染都在 web服務(wù)器上運行 ，客戶(hù)端只要連接到 Internet上的任意一 臺，下載一個(gè)很小的網(wǎng)頁(yè)插件就可以遍覽該系統。而它的實(shí)現方式就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸反映三維場(chǎng)景的模型文件，用戶(hù)根據自己的需求將相應的模型文件下載到客戶(hù)端，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)插件來(lái)提供對模型文件的動(dòng)態(tài)實(shí)施和實(shí)時(shí)渲染。方案流程見(jiàn)圖 1。
3 三維實(shí)體模型的建立
維實(shí)體模型是該系統實(shí)現漫游和交互的基礎，模型的好壞直接影響運行的效果和客戶(hù)端瀏覽的逼真度。粗糙 的模型，不能給人視覺(jué)上的美感，失去原有實(shí)體模型 的真實(shí)性；模型建得過(guò)細，就會(huì )降低場(chǎng)景圖形的繪制效率，同時(shí)給渲染和計算機的顯示帶來(lái)麻煩，因此建模過(guò)程中，平衡模型細節度和復雜度顯得尤為重要。
采用 3ds max進(jìn)行建模。逐級對船舶輔鍋爐的組成部分，各組成部分中的零部件進(jìn)行分割，根據部件的形狀和工作特征，選擇不同的建模方法，然后把個(gè)部件組合成完整的三維場(chǎng)景，最后導入到虛擬編輯器(VRP編輯器)，以供底層的程序進(jìn)行控制，形成一個(gè)完整動(dòng)態(tài)模型。圖 2為鍋爐控制面版 的三維圖形。
4 交互功能的實(shí)現
在交互功能的實(shí)現過(guò)程中，首先使用 VisuaC++中的 MFC框架來(lái)設計服務(wù)器的用戶(hù)界面根據界面定義的功能，使用網(wǎng)絡(luò )類(lèi)作為基類(lèi)來(lái)設計一個(gè)專(zhuān)門(mén)處理自己窗口消息的網(wǎng)絡(luò )對象通過(guò)消息函數(CRemoteTestDlg：：()nButtonStartVrp())調入設計的三維場(chǎng)景，通過(guò)控件定義相應事件處理函數來(lái)驅動(dòng)三維場(chǎng)景，從而實(shí)現對j維場(chǎng)景 中模型的控制 。
在=三維虛擬文件與 H'I’MI 網(wǎng)頁(yè)結合上采用超鏈接的方式：在 HTMI 網(wǎng)頁(yè)中，通過(guò)超鏈 接的設置來(lái)實(shí)現同維虛擬文件的結合。瀏覽者可以通過(guò)激活超鏈接來(lái)實(shí)現網(wǎng)頁(yè)與虛擬現實(shí)場(chǎng)景的轉換，雙方的平面顯示空間不受約束，為場(chǎng)景中的一些重要細節呈現提供更廣闊的空間。例如，當用戶(hù)點(diǎn)擊視點(diǎn)切換文本框 中的一個(gè)超鏈接 ，維虛擬場(chǎng)景中的視點(diǎn)就會(huì ) 自動(dòng)切換到相對應的場(chǎng)景。 以輔鍋爐水位控制算法程序為例說(shuō)明交互的實(shí)現機制 。
水位控制的算法分為水位控制的運動(dòng)算法和模擬水的行為算法。水位控制的運動(dòng)算法相對簡(jiǎn)單 ，根據鍋爐的運行狀態(tài) ，水位做相應的變化 ，可以勻速上升、勻速下降、加速上升、加速下降以及在某一水平線(xiàn)的波動(dòng)。模擬水的行為算法是實(shí)現水位控制虛擬化的核心，采用四連通的五位區域采樣方法，將四連通周?chē)奈鍌�(gè)點(diǎn)求平均值；通過(guò)引入阻尼系數來(lái)模擬水波上升或下降的震動(dòng)效果，并反映到導航圖中；然后通過(guò)激活水波使整個(gè)水位控制更接近實(shí)際，真正達到虛擬仿真的效果以下是模擬水的行為算法的部分程序：
for Y：一1 toM AXY一 ]do again
for x：一 1 to MAXY一 1 do again
xDiff：一Trunc(WaveMapEx+1，y]一WaveMapEx)；
yDiff：一Trunc(WaveMapE X，y+1]一WaveMapE xy2)；
xAngle：arctan(xDiff)；
xRefraction：一aresin(sin(xAngle)／rlndex)；
xDisplace：一Trunc(tan(xRefraction) xDiff)；
yAngle：arctan(yDiff)；
yRefraction：一arcsin(sin(yAngle)／rlndex)；
yDisplace：==Trunc(tan(yRefraction) yDiff)；
if xDiff<0 then begin／／當處在高水位時(shí) ，殲始下降
if yDiff< 0 then
newcolor：==BackgroundImage[X— xDisplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：一Backgroundhnage[x x1)isplace，Y+yDisplace]；
if yDiff<0 then／／當處于低低水位時(shí)，開(kāi)始上升
newcolor：一 Backgroundlmage[x—xI)isplace，Y～yDisplace]；
else
newcolor：-_Backgroundlmage[X xI)isplace，Y+yDisplace]；Targetlmage[x，y]
end；
end；
5 結束語(yǔ)
從開(kāi)發(fā)高度逼真的船舶輔鍋爐系統的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)，設計出一種純軟件控制系統，在獨立的PC機上運行，將船舶輔鍋爐控制系統虛擬到上，操作人員調用內存中的船舶輔鍋爐操控系統的 維圖形 ，(用 鼠標控制瀏覽方 向)對三維對象進(jìn)行虛擬控制，利用虛擬現實(shí)技術(shù)構建虛擬動(dòng)態(tài)設備，仿真出與實(shí)際設備相近的運行過(guò)程，彌補傳統操作流程上真實(shí)感的不足。
同時(shí)利用虛擬現實(shí)技術(shù)提供的高速運行，能夠實(shí)現多人遠程實(shí)時(shí)操作和三維模型的瀏覽和交互動(dòng)態(tài)演示，讓操作者與電腦實(shí)現人機交互，如同身臨其境，達到替代實(shí)際現場(chǎng)操作的目的，克服了實(shí)際操作的單一性和危險性等缺點(diǎn)，降低了船舶輔鍋爐控制系統運行演示的以及船舶輔鍋爐誤操作的影響。
參考文獻
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